新能源材料完

新能源材料福州大学材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScienceandEngineering,FZUNewEnergyMaterialsChapter1绪论一、能源分类能源可以分为一次能源和二次能源。一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。包括：核能、太阳能、水力、风力、原煤、原油、天然气、油页岩、生物质能、波浪能、潮汐能、地热和海洋温差能等等。二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。第1章绪论常见的一次能源一次能源可以进一步分为再生能源和非再生能源两大类。再生能源是指在自然界可以循环再生的能源。包括:太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等。非再生能源是不能再生的能源，用掉一点，便少一点。包括：煤、原油、天然气、油页岩、核能等.项目可再生能源不可再生能源一次能源常规能源商品能源水力（大型）核能地热生物质能（薪材秸秆、粪便等）太阳能（自然干燥等）化石燃料（煤、油、天然气）核能传统能源（非商品能源）水力（水车等）风力（风车、风帆等）畜力非常规能源新能源生物质能（燃料作物制沼气、酒精等）太阳能（收集器、光电池等）水力（小水电）风力（风力机等海洋能地热二次能源电力，煤炭，沼气，汽油、柴油、煤油、重油等油制品，蒸汽，热水，压缩空气，氢能等表1能源的分类Chapter1绪论二、新能源概念新能源是相对于常规能源而言，以采用新技术和新材料而获得，新技术基础上系统地开发利用的能源，如：太阳能、风能、海洋能、地热能等。新能源特点：生产规模较小，使用范围较窄。※常规能源与新能源的划分是相对的。如核能曾被认为是新能源，现在已被认为是常规能源；太阳能和风能被利用的历史比核能要早许多世纪，由于还需要通过系统研究和开发才能提高利用效率、扩大使用范围，所以现在把它们列入新能源。目前各国对这类能源的称谓有所不同，但是共同的认识是，除常规的化石能源和核能之外，其他能源都可称为新能源或可再生能源，主要为太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、氢能和水能。Chapter1绪论三、新能源材料基础有学者将能源材料划分为：

新能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。综合国内外的一些观点，我们认为：

新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源

技术中所要用到的关键材料，是发展新能源

技术的核心和其应用的基础。从材料学的本质和能源发展的观点看：

能储存和有效利用现有传统能源的新型材料

也可归为新能源材料。新能源材料包括：

镍氢电池材料、锂离子电池材料、

燃料电池材料、太阳能电池材料、反应堆核能材料、

发展生物质能所需的重点材料、新型相变储能和节能材料等。Chapter1绪论四、新能源材料应用现状锂离子电池及其关键材料锂离子电池及其关键材料的研究是新能源材料技术方面突破点最多的领域，在产业化工作方面也做得最好。当前国内锂离子电池关键材料已经基本配套，为我国锂离子电池产业的更大发展创造了有利条件。锂离子电池正极材料研究最多的是具有层状结构的LiCoO2、LiNiO2和尖晶石结构的LiMn2O4及它们的掺杂化合物。商用锂离子电池负极碳材料以中间相碳微球（MCMB）和石墨材料为代表。2.镍氢电池及其关键材料镍氢电池是近年来开发的一种新型电池，以KOH作电解液（电解质7mol/LKOH+15g/LNiOH）充电时：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH放电时：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2

式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。镍氢电池核心是储氢合金材料，目前主要使用的是RE（LaNi5）系、Mg系和Ti系储氢材料。各发达国家大都将大型镍氢电池列入电动汽车的开发计划，镍氢动力电池正朝着方形密封、大容量、高比能的方向发展。镍氢电池的电量储备比镍镉电池多30%，无记忆效应，

更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，

性能比锂电池要差。3.燃料电池材料燃料电池是将储存于燃料和氧化剂中的

化学能直接转化为电能的装置。阳极阴极电解质氢气氧气氢气氧气负荷-+燃料电池工作原理图1/2O2+2e-→

O2-H2+O2-→2H2O+2e-安装在柏林的250kWPEMFC燃料电池电站燃料电池结构示意图采用湿化学法工艺，可在YSZ+NiO阳极基底上制备厚度仅为50μm的致密YSZ薄膜，800℃用氢作燃料时单电池的输出功率密度达到0.3W/cm2以上。（YSZ为氧化钇掺杂/稳定的氧化锆）燃料电池可以以不同形式应用于工业及生活的各个方面，如使用燃料电池作为电动汽车电源一直是人类汽车发展目标之一。在材料及部件方面，主要进行了电解质材料合成及薄膜化、电极材料合成与电极制备、密封材料及相关测试表征技术的研究。4、太阳能电池材料太阳能电池就是通过光电效应或者光化学效应，将太阳辐射能直接转换成电能的装置。砷化镓（GaAs）太阳能电池的转换效率目前已经达到20-28%，采用多层结构还可以进一步提高转换效率。太阳能在新能源领域的龙头地位，美国、德国、日本等国家都将太阳能光电技术放在新能源的首位。在世界太阳能电池市场上，目前仍以晶体硅电池为主。美国、日本、欧洲等国家的单晶硅电池的转换效率达到20%以上，多晶硅电池在实验室中转换效率也达到了17%，5、核能的关键材料世界上一切物质都是由原子构成的，原子又是由原子核和它周围的电子构成的。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量，分别称为核聚变能和核裂变能，简称核能。大亚湾核电站秦山核电站美国核电约占总发电量20%，法国、日本分别占77%和29.7%；中国核电由原先的适度发展进入到加速发展的阶段，核发电量创历史最高水平，到2020年核电容量将占全部总装机容量的4%。核能的关键材料包括：先进核有能力材料、先进的核燃料、高性能燃料元件、新型核反应法堆材料、铀浓缩材料等。

1986年4月26日切尔诺贝利核电站发生世界上最严重的核电站爆炸2011年3月12日受东日本大地震影响，日本福岛核电站发生爆炸。6、其他新能源材料我国风能资源较为丰富，但与世界先进国家相比，我国风能利用技术和发展差距较大，最主要的问题是尚不能制造大功率风电机组的复合材料叶片材料。电容器材料和转换材料一直是传统能源材料的研究范围，现在随着新材料技术的发展和新能源涵义的拓展，一些新的热电转换材料也可以当作新能源材料来研究。利用相变材料（PCM，PhaseChangeMaterials）的相变潜热来实现能量的储存和利用，提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。节能储能材料的技术发展也使得相关的关键材料研究迅速发展，一些新型的利用传统能源和新能源储能材料也成为了人们关注的对象。具有产业化前景的超导电技术是国家新材料领域材料与技术专项的重点课题之一。Chapter2新型储能材料一、储能、储能技术与应用储能又称蓄能，是指使能量转化为在自然条件下

比较稳定的存在形态的过程。储能技术：在能源的开发、转换、运输和利用过程中，能量的供应和需求之间，往往存在着数量上、形态上和时间上的差异。为了弥补这些差异、有效利用能源，常采取

储存和释放能量的人为过程或技术手段，称为。第2章新型储能材料按照储存状态下能量的形态可分为机械、化学、

电磁储能（或蓄电）、风能储存、水能储存等。和热有关的能量储存，不管是把传递的热量储存起来，还是以物体内部能量的方式储存能量，都称为蓄热。人为的储能，如机械钟表的发条，把机械功转化为势能储存起来。储能包括自然的和人为的：自然的储能，如植物通过光合作用，把太阳辐射能转化为化学能储存起来；储能技术有如下作用：

1）防止能量品质的自动恶化；

2）改善能源转换过程的性能；

3）方便经济地使用能量；

4）降低污染、保护环境。※储能系统本身并不节约能源，它的引入主要在于能够提高能源利用体系的效率，促进新能源的发展。表2能源类型、使用形式和储能的关系能源能源转换方式能源使用形式转换方式储能传统化石能核能可再生能源（如生物质能风能、太阳能和水能）直接产生电力热能冷能动能压缩气体储存和回收电池飞轮可逆燃料电池压缩空气热能扬水表3能量的形态类别及其储存和输送方法能量的形态储存法输送法机械能动能位能弹性能压力能飞轮扬水弹簧压缩空气高压管道热能显热潜热（熔化、蒸发）显热储热潜热热介质输送管道热管化学能电化学能化学能、物理化学能（溶液、稀释、混合、吸收等）化学热管、管道、罐车、汽车等电能电能磁能电磁波（微波）电容器超导线圈输电线微波输电辐射能太阳光、激光束光纤维原子能轴、钚等Chapter3锂离子电池材料第3章锂离子电池材料一、锂离子电池材料基础与应用1．发展历史1970S埃克森的M.S.Whittingham

以硫化钛为正极，金属锂为负极，制成首个锂电池。1982年伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman

发现锂离子具有嵌入石墨的特性，快速且可逆。

由于采用金属锂制成的锂电池的安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池，首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池，以锂离子在碳材料中的嵌入、脱嵌反应代替了金属锂的溶解、沉积反应，避免了电极表层上形成枝晶的问题（会产生枝晶短路），从而使锂离子电池的安全性和循环寿命远远高于锂蓄电池，实现了锂离子电池的商业化生产。2．优缺点1）高能量密度，是镍镉电池的三倍，是镍氢电池的两倍；2）电压平台高，约为3.6V，而镍基电池为1.2V；3）低维护性，没有记忆效应，无需定期放电；4）低自放电率；5）环保，无重金属。锂离子电池优点：1）安全性能问题，

因为存在过充过放损害电池的因素，故需要复杂的保护线路；2）放电倍率低，约为1C-2C；3）易于老化，存储的锂离子电池会出现容量衰竭；4）价格昂贵。锂离子电池缺点：3．锂电池主要种类1）锂－二氧化锰电池(Li—MnO2)以锂为阳极（负极）、二氧化锰为阴极（正极），采用有机电解液的一次性电池。有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)电池电压高（额定电压为3V；终止放电电压为2V）比能量大

(金属锂的理论克容量为3074mAh/g)；放电电压稳定可靠有较好的储存性能(储存时间3年以上)自放电率低(年自放电率≤10%)工作温度范围宽（－20℃～+60℃）主要特点：※

一般在台式电脑的主板上，有一个扣式的锂电池，提供微弱的电流，可以正常使用3年左右，一些宾馆的门禁卡、仪器仪表等也使用锂--二氧化锰电池，近年来使用量逐年下降。该类电池是目前单位体积（质量）容量最高，放电电压特别平稳。一般用于不能经常维护的电子设备、仪器上，提供细微的电流，应用领域很窄。2）锂—亚硫酰氯电池(Li—SOCl4)以2种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系。3）锂离子电池(Li--ion)充电时：锂离子从正极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到负极材料的晶格中，使得负极富锂，正极贫锂；放电时：锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到正极材料的晶格中，使得正极富锂，负极贫锂。工作原理：※※※※

可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池。该电池以钴酸锂类型材料作为正极，不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)，并可能发生危险；但现在研发的磷酸铁锂正极材料锂电池，可以20C甚至更大的大电流进行充放电，特别适合电动车使用。（注：C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）4．锂离子电池的结构与组成部分1）圆柱型锂离子电池结构此结构一般为液态锂离子电池所采用，也是最古老的结构之一，偶尔在较早的手机上还能找到它的影子，目前大多数用在笔记本电脑的电池组里面。现今最普遍的液态锂离子电池形态广泛应用于移动电子设备电池组里,特别是手机电池.图右面的是sanyo生产的UP383450,即3.8mm*34mm*50mm,

目前的标称容量已经达到650mAh.明年可达680~700mAh。2）方形锂离子电池结构3）纽扣型锂离子电池结构此种可充电的锂离子电池不常见,容量不大在几个到几十mAh之间,应用领域也不广泛.类似的产品都是采用一次性的锂电池或黄金电容.4）聚合物锂离子电池结构这是聚合物锂离子电池的典型结构，图中的结构称为卷绕式，也有层叠式的，其外面包裹上一层复合铝箔后基本形状就象右面的图片。

(注右面的聚合物锂离子电池为sony生产的UP293559，厚度为2.9mm，长宽为35mm*59mm，不算两个极耳的尺寸)5）组成部分（5）电池外壳——分为钢壳、铝壳、镀镍铁壳、铝塑膜等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。（1）正极——一般为锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂。

导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。（2）隔膜——一种复合膜，可以让离子通过，是电子绝缘体。（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，

导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。二、正极材料作为锂二次正极材料的氧化物，常见的有氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂和钒的氧化物。其它正极材料如铁的氧化物和其他金属的氧化物等亦作为正极材料进行了研究。最近人们对5V正极材料以及多阴离子正极材料表现也了浓厚的兴趣。1、氧化钴锂常用氧化钴锂为层状结构，Li+和Co3+各自位于立方紧密堆积氧层中交替的八面体位置，结构较稳定，研究较多。在充/放电过程中，锂离子从所在的平面发生可逆脱嵌/嵌入反应。层状氧化钴锂的制备方法一般为固相反应，以锂盐和钴的氧化物混合，在高温下离子和原子发生迁移等制备而成。为了克服固相反应混合不匀的缺点，采用溶胶-凝胶法、喷雾分解法、沉降法、冷冻干燥旋转蒸发法、超临界干燥和喷雾干燥法等方法。层状LiCoO2的循环性能比较理想，但是仍会发生衰减。LiCoO2在2.5-4.35V之间循环时受到不同程度的破坏，导致严重的应变、缺陷密度增加和粒子发生偶然破坏；产生的应变导致两种类型的阳离子无序，因此对于长寿命需求的电池而言还有待于进一步提高循环性能。氧化镍锂与氧化钴锂一样为层状结构。尽管LiNiO2比LiCoO2便宜，容量可达130mAh/g以上，但是镍较难氧化为+4价，易生成缺锂的氧化镍锂；另外热处理温度不能过高，否则生成的氧化镍锂会发生分解，因此实际上很难批量制备理想的LiNiO2层状结构。2、氧化镍锂锂-锰-氧体系有三种结构：

隧道结构、层状结构和尖晶石结构。3、氧化锰锂隧道结构的氧化物主要是MnO2及其衍生物，主要用于3V一次锂电池（锂原电池）。层状结构的氧化锰锂随合成方法和的不同，结构存在差异。尖晶石结构的锂-锰-氧化物可以发生锂脱嵌，也可以发生锂嵌入，使正极容量增加；同时可以掺杂阴离子、阳离子及改变掺杂离子的种类和数量而改变电压、容量和循环性能，再加之锰比较便宜，Li-Mn-O尖晶石结构的氧化电位高（对金属锂而言为3-4V），因此它备受青睐。4、Li-V-O化合物三、负极材料作为锂二次电池的负极材料，首先是金属锂，随后是合金。自锂离子电池诞生以来，研究的负极材料主要有：石墨化碳材料、无定形碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金和其他材料，其中石墨化碳材料是当今商品化二次电池中的主流。1、碳材料首先报道将石墨碳用于锂离子电池是1989年，当时索尼公司以呋喃树脂为原料，进行热处理，作为商品化锂离子电池的负极。锂离子电池中碳材料主要有：

石墨化碳和无定形碳。天然石墨中锂的可逆插入容量理论水平达372mA.h/g，电位基本上与金属锂接近。但它的主要缺点在于石墨片面易发生剥离，因此循环性能不是很理想，通过改性，可以有效防止。无定形碳材料的研究源于石墨化碳需要进行高温处理。同时石墨化碳的理论容量372mA.h/g比起金属锂（3800mA.h/g）而言要小很多。因此从20世纪90年代起，无定形碳材料备受关注。无定形碳的主要特点是制备温度低，一般在500-1200℃。由于热处理温度低，石墨化过程进行得很不完全，所得碳材料主要由石墨微晶和无定形相组成，因此称为无定形碳材料。无定形碳材料的可逆容量可高达900mA.h/g以上，但循环性能均不不理想，可逆储锂容量一般随循环的进行衰减得比较快；另外电压存在滞后现象，锂插入时主要是在0.3V以下进行，而在脱出时则有相当大的一部分在0.8V以上。碳材料改性主要有以下几个方面：

非金属的引入、金属的引入、表面处理和其他方法。引入非金属方面：1）以原子或化合物形式引入硼；2）引入氮元素；3）还可以引入硅、硅与碳的复合物、磷、氧和氟等。引入金属元素方面：有主族的钾、镁、铝、镓；有过渡元素的钒、镍、钴、铜、铁等。2、其它负极材料由于Li3N具有高的离子导电性，即锂离子容易发生迁移。将它与Co、Ni、Cu等发生作用后得到氮化物Li3-xMxN。在所得氮化物中，以Li3-xCuxN的性能最佳，可逆容量650mA.h/g；其次为Li3-xCoxN，可逆容量达560mA.h/g。虽然该类氮化物在未超过1.4V时，循环性能比较好，但平均放电电压比石墨要高，且合成条件苛刻，需要在高压下加热，因此从实用的角度而言并不理想。氮化物：硅及硅化物：硅有晶体和无定形两种形式。作为锂离子电池负极材料，以无定形硅的性能较佳。硅与锂的化合物可达Li5Si的水平，可逆容量可高达800mA.h/g以上，甚至可高达1000mA.h/g以上。硅可与非金属或金属形成倾倒物，导致新的硅化物产生，其可逆容量可提高。锡基负极材料包括锡的氧化物、复合氧化物和锡盐。锡基材料：锡的氧化物有三种：氧化亚锡、氧化锡及其混合物。氧化亚锡的容量同石墨材料相比，要高出许多，但循环性能并不理想。氧化锡也能可逆储锂，但由于制备方法不一样，因此性能有较大的差别。由于某种原因氧化亚锡和氧化锡均可以可逆储锂，它们的混合物也可以可逆储锂。在氧化亚锡、氧化锡中引入一些非金属、金属氧化物，如B、Al、P、Si、Ge、Ti、Mn、Fe、Zn等，并进行热处理，可以得到复合氧化物，这些复合氧化物也能可逆储锂。

锡盐也可以作为锂离子二次电池的负极材料，如SnSO4，最高可逆容量也可以达到600mA.h/g以上。其他锡化物包括：锡硅氧氮化物、锡的羟氧化物、硫化锡和纳米金属锡等。锂二次电池最先所用的负极材料为金属锂，后来用锂的合金如Li-Al、Li-Mg、Li-Al-Mg等以期克服枝晶的产生，但是它们并未产生预期的效果，随后陷入低谷。新型合金：合金的优点是：加工性能好、导电性好、对环境的敏感性没有碳材料明显、具有快速充放电能力、防止溶剂的共插入等。按基体材料分主要有：锡基合金、硅基合金、锗基合金、镁基合金和其他合金。如锡基合金主要是利用Sn能与Li形成高达Li22Sn4合金，因此理论容量高。研究得比较深入的为铀与锡形成的负极材料LixCu6Sn5±1。其他负极材料：

钛的氧化物、铁的氧化物、钼的氧化物等。

Chapter4燃料电池材料第4章燃料电池材料一、概述1、氢气利用氢在世界上的储量极其丰富，又不具有环境污染，多年来一直被认为是未来的能源载体，人们普遍认为氢和电在将来会成为互补的能源载体，氢有一些与电有关的独特的性能，这些独特的性能使得它成为理想的能源载体或燃料。1）氢像电一样可以从任何能源中得到；2）氢可以由电获得并以相对高的效率转换成电；3）获取氢的原材料和氢使用后的产物都是水或水蒸气，因此氢是完全可再生的燃料；4）氢可以以气态、液态、金属氢化物、形式储存；5）氢能够借助于管道和钢瓶进行长距离运输；6）氢可通过催化燃烧、电化学转换和氢化物转换成其他形式能源；7）氢是对环境无害的能源。※氢的独特性能利用氢作为能源，重点要解决的是其储存和运输问题。根据储氢机制，储氢方式主要分为化学方式（氢化物等）和物理方式（压缩、冷冻、吸附）。储氢方法储氢容量/%（质量）比能量/（kW/kg）可能的应用领域气态H2液态H2金属氢化物活性炭沸石玻璃微球碳纳米管有机液体11.325.92~5.55.20.864.2~78.9~15.15.013.80.8~2.32.20.32.51.7~3.03.8~7.0TR，CHPTRPO，TR—

————PO，TRTR，CHP，PO**PO表示便携领域，TR表示运输，CHP表示能量生产表4-1不同储氢方法特性2、燃料电池

1）燃料电池基本概念燃料电池（FuelCell）是一种电化学装置，将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。单体电池是由正、负两极（负极即燃料电极、正极即氧化剂电极）以及电解质组成；从外表上看像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，在电极上进行反应。（只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电）燃料电池必须有一套相应的辅助系统才能工作，包括：

反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。2）燃料电池工作原理与结构以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的工作原理，氢-氧燃料电池反应原理是电解水的逆过程。负极：H2+2OH-→2H2O+2e-正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

电池反应：H2+1/2O2==H2O电极反应为：阳极阴极电解质氢气氧气氢气氧气负荷-+图4-1燃料电池工作原理示意图表4-2各种燃料电池反应原理图4-2燃料电池结构示意图3）燃料电池发展历史1838年德国物理学和化学教授Schonbein发明了燃料电池，使用两个由白金组成的电极插入电解液里，当有氢气和氧气在电解液里时，在两极间会产生电压；1839年英国的Grove也发现了燃料电池现象，并于1842年制成了第一个真正意义上的燃料电池系统，采用白金电极插入电解液，并以铂黑为电极催化剂的简单氢氧燃料电池，点亮了伦敦讲演厅的照明灯；1889年Mood和Langer制成第一台实用的燃料电池，获得200mA/m2电流密度，并首次采用燃料电池名称；（由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展）英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池，1959年推出第一台燃料电池机动车（拖拉机）；1960年美国成功地在阿波罗登月飞船上应用燃料电池，从此广泛应用于宇航领域；同时兆瓦级磷酸燃料电池研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。1982年开发了第一台使用由PEM组成的燃料电池系统潜艇。2000年德国由MAN公司推出燃料电池公交车并运行了一年时间。2006年三星公司推出燃料电池笔记本。2005年日本HONDA推出50KW的燃料电池轿车。4）燃料电池特点（1）能量转化效率高

燃料电池系统转换效率在45%～60%

火力发电和核电的效率大约在30%～40%（5）负荷响应快，运行质量高

可改善地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。（4）积木化强

电站功率可根据需要由电池堆组装，占地面积小，建设周期短，规模及安装地点灵活。（3）燃料适用范围广（2）有害气体及噪音排放都很低、无机械振动5）燃料电池分类按采用的电解质可分为5种类型，其名称与采用的相应电解质有关表4-3燃料电池的类型及基本技术参数

类型磷酸型（PAFC）熔融碳酸盐型（MCFC）

固体氧化物型（SOFC）

质子交换膜（PEMFC）燃料煤气、天然气、甲醇等

纯H2、天然气电解质磷酸水溶液

(K/li/Na)CO3熔盐ZrO2-Y2O3(YSZ)固体有机膜

电极阳极多孔石墨(Pt催化剂)多孔镍(不要Pt催化剂)Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)多孔石墨或Ni/Pt催化剂阴极

含Pt催化剂

+多孔质石墨

+Tefion多孔NiO（掺锂）

LaXSr1-XMn(Co)O3反应式阳极H2→2H++2eH2+CO32→H2O+CO2+2eH2+O2－→H2O+2eH2→2H++2e阴极1/2O2+2H++2e→H2O1/2O2+CO2+2e→CO32－1/2O2+2e→O2－1/2O2+2H++2e→H2O工作温度~200℃~650800~1000~100按其工作温度分为低温燃料电池和高温燃料电池：碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、质子膜燃料电池（PEMFC，工作温度为100℃以内）磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）按开发时间顺序进行分类：

磷酸型燃料电池称为第一代燃料电池熔融碳酸盐称为第二代燃料电池固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池二、燃料电池材料基础与应用1、碱性燃料电池碱性燃料电池（AFC）电池堆是由一定大小的电极板、一定数量的单电池层压或用端板固定在一起而成。AFC是最先得到应用的燃料电池，1960年用于美国阿波罗计划；1981年用于美国航天；至今美国第三代航天飞机仍用碱性石棉膜型氢氧燃料电池。AFC中空气作为氧化剂时，CO2对电池性能有不利影响，制约着AFC应用于交通工具。隔膜材料一般使用石棉；因石棉具有致癌作用，为了寻求替代材料，有的科学工作者研究了聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSF）以及聚四氟乙烯（PTFE）等材料，它们都有允许液体穿透而有效阻止气体通过的特点，具有较好的抗腐蚀性和较小的电阻电极一般采用聚砜和聚丙烯等合成树脂；燃料极催化剂：除了使用铂、钯之外，还有碳载铂或雷尼镍；空气极催化剂：高功率输出时需要采用金、铂、银，

实际应用时一般采用表面积大、耐腐蚀性好的

乙炔炭黑或碳等载铂或银；2、磷酸盐燃料电池PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，

电极均采用碳的多孔体，以Pt作为催化剂，

富氢气体（如天然气、重整气）为燃料，

氧气为氧化剂，在由碳支撑的催化剂颗粒表面进行电化学反应。磷酸盐燃料电池（PAFC）是以磷酸为电解质，在200℃左右下工作的燃料电池。PAFC的电解质是酸性，不存在像AFC那样由CO2造成的电解质变质，可以使用化石燃料重整得到的含有CO2的气体。值得注意的是在PAFC中，使用了贵金属铂催化剂，燃料气体中的CO将造成催化剂中毒，降低电极性能，因此必须把燃料气体中的硫化合物及一氧化碳的浓度降低到1%以下；有人在对氧化还原反应的电催化剂研究过程中还发现了Fe、Co对Pt的锚定效应。PAFC是发展最快、研究最成熟、应用最多的燃料电池，已经进入了商业化和批量生产。1977年美国9个电力公司联合开发MW级燃料电池；1991年日本东芝公司制造11MW级PAFC发电站；1990年ONSI公司向全世界销售现场型200KWPC25系列设备。图4-3ONSI公司PC25C型PAFC电站可以提供200kW电力3、熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）是以熔融碳酸盐为电解质，由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。电池关键材料包括：

以多孔陶瓷板LiAlO2作为电解质支持体阴极采用多孔板Ni

（厚度0.8mm，平均孔径12μm，孔隙率55%；

阳极采用多孔板Ni

（厚度0.8mm，平均孔径8μm，孔隙率50%；）在MCFC多孔阴极结构及其新材料研究中，有学者以Li-Na碳酸盐电解质代替传统的Li-K体系或用碱土元素对NiO阴极进行改性，能够显著降低镍在电解质中的溶解性；所开发的LiCoO2和LiFeO2-LiCoO2-NiO复合物等新型阴极材料具有与NiO相当的电化学活性而较低的溶解性美国的MCFC技术开发一直主要由两大公司承担，

ERC（EnergyResearchCorporation）

（现为FuelCellEnergyInc.）和

M-CPower公司，他们通过不同的方法建造MCFC堆。ERC于1996年进行了一套设于加州圣克拉拉的2MWMCFC电站的实证试验。美国M-CPower公司已在加州圣迭戈的海军航空站进行了250kW装置的试验，研制的500kW模块于2002年开始生产。日本对MCFC的研究，自1981年“月光计划”时开始，1991年后转为重点，每年在燃料电池上的费用为12-15亿美元。由三菱电机与美国ERC合作研制的内重整30kWMCFC已运行了10000h。三洋公司也研制了30kW内重整MCFC。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积的MCFC燃料电池堆，试验寿命已达13000h。4、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种采用氧化锆等氧化物作为固体电解质的高温燃料电池。工作温度在800-1000℃范围内。SOFC电池材料主要有：

电解质材料、燃料极材料、空气极材料和双极联结材料。SOFC电解质材料应具备高温氧化-还原气体中稳定、氧离子电导性高、价格便宜、来源丰富、容易加工成薄膜且无害的特点。钇稳定氧化锆（YSZ）是被广泛应用的电解质材料；氧化铈取代氧化锆形成的氧化物与YSZ相比，空气极-电解质界面的电压更缓慢，但存在着电导性和电子电导性较高、在还原气体中容易脱氧和产生体积膨胀等缺点；LaxSr1-xCayMgzCo1-y-zO3等复合氧化物离子电导性高于YSZ；为了实现低温化工作，又开发了低于1000℃工作的电解质材料，但是由于这些复合氧化物含有较多的元素，化学组成复杂，要用于制造SOFC电池堆还存在很多需要解决的问题。燃料极材料应该满足电子导性高，高温氧化-还原气氛中稳定、热膨胀性好、与电解质相容性好、易加工等要求。空气极材料也应该是满足燃料极材料的基本要求。镧系钙钛矿型复合氧化物是比较好的选择，实际中常用的有钴酸镧和掺杂锶的锰酸镧。通常使用镍粉、YSZ或者氧化锆粉末制成的合金。双极联结材料位于空气极和燃料极之间，所以无论在还原气氛还是在氧化气氛中都必须具备化学稳定性和良好的电子传导性，且其热膨胀系数必须与空气极和燃料极材料的热膨胀系数相近。常用的双极联结材料有钴酸镧或掺杂锶的锰酸镧。美国是世界上最早研究SOFC的国家，而美国的西屋电气公司（Westinghouse）所起的作用尤为重要，现已成为在SOFC研究方面最有权威的机构。早在1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在SOFC试验装置上获得电流，并指出烃类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础过程，为SOFC的发展奠定基础。80年代中后期，它开始向研究大功率SOFC电池堆发展。1986年，400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。该公司为荷兰Utilies公司建造100kW管式SOFC系统，能量总利用率达到75%，已经正式投入使用。2000年SiemensWestinghouse有两座250kWSOFC示范电厂在挪威和加拿大的多伦多附近建成。下图为西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂，它可以提供110kW的电力和64kW的热，发电效率达到46%，运行14000h。图4-西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂5、质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池的电解质是能导质子的固体高分子膜，工作温度为80℃。不存在电解质泄露、可常温启动、启动时间短等优点，可以使用含CO2的气体作为燃料。常用的质子交换膜是一种全氟磺酸基聚合物，目前已商业化的高分子膜有NaFion膜、Flemiom膜和Acilex膜等，它们仅是侧基的结构不同而已。电池单元由在固体高分子膜两侧分别涂有催化层而组装成三合一膜电极、燃料侧双极板、空气侧双极板以及冷却板构成。催化剂是PEMFC的另一个关键材料，

燃料极常使用铂/钌催化剂，

空气极则使用以铂金属为载体的催化剂。双极板材料具有隔绝反应气体、传导电流和

提供反应气体通道等功能。广泛采用的双极板材料是碳材料，还使用耐腐蚀的金属材料，有学者以高分子预聚物为胶粘剂，天然或人造石墨为导电骨料，通过模压一次成型制备双极板。加拿大Ballard公司在PEMFC技术上全球领先，现在它的应用领域从交通工具到固定电站，其子公司BallardGenerationSystem被认为在开发、生产和市场化零排放质子交换膜燃料电池上处于世界领先地位。BallardGenerationSystem最初产品是250kW燃料电池电站。目前Ballard公司正和世界许多著名公司合作以使BallardFuelCell商业化。在2000年10月通过它的伙伴EBARABallard将第四座燃料电池电厂安装在日本的NTT公司，向亚洲开拓了市场。在不同地区进行的测试将大大促进燃料电池电站的商业化。图4-5安装在柏林的250kWPEMFC燃料电池电站其他的燃料电池有直接甲醇燃料电池、直接肼燃料电池、

直接二甲醚燃料电池、直接乙醇燃料电池、

直接乙酸燃料电池、直接乙二醇燃料电池等在研究中，相关材料也在开发中。6、其他燃料电池Chapter5太阳能电池材料一、概述

1．太阳能及太阳能电池基本概念自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。太阳能（SolarEnergy）一般是指太阳光的辐射能量。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，以光化学效应工作的湿式太阳能电池还处于萌芽阶段。2．太阳能电池历史术语“光生伏打(Photovoltaics)”来源于希腊语，意思是光、伏特和电气的，来源于意大利物理学家亚历山德罗·伏特的名字，在亚历山德罗·伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在19世纪就已经发现了。1839年光伏效应由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1883年第一块太阳电池由CharlesFritts制备成功。Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。1930年代照相机曝光计广泛地使用光起电力行为原理。1849年术语“光－伏”才出现在英语中。

1946年RussellOhl申请了现代太阳电池的制造专利1950年代随着对半导体物性的逐渐了解以及加工技术的进步，1954年美国贝尔实验室发现在硅中掺入一定量杂质后对光更加敏感，第一个太阳能电池诞生。1960年代美国发射的人造卫星就已经开始利用太阳能电池作为能量的来源。1970年代能源危机世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

目前，在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法，推广每户3,000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年，政府补助49%的经费，以后的补助再逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候，由太阳能电池提供电能给自家的负载用，若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候，所需要的电力再由电力公司提供。1996年日本有2,600户装置太阳能发电系统，装设总容量已经有8百万瓦特。一年后，已经有9,400户装置，装设的总容量也达到了32百万瓦特。近年来由于环保意识的高涨和政府补助金的制度，预估日本住家用太阳能电池的需求量，也会急速增加。中国太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。3．太阳能电池工作原理太阳能电池中光伏能量转换需要经历两个基本步骤首先，太阳光照在半导体光伏材料上，通过对光的吸收，在半导体材料内形成新的空穴-电子对。然后，在半导体p-n结电场的作用下，空穴-电子对分离，空穴向正电极方向移动，同时电子向负电极方向移动，接通电路后就形成电流。太阳能发电有两种方式：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换方式利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一过程是光-热转换过程；后一过程是热-电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。4．太阳能电池的分类按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形、

ⅢV(GaAs,InP等)、

ⅡⅥ族(Cds系)和磷化锌

(Zn3p2)等。根据所用材料的不同还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、

纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。

其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池

和非晶硅薄膜太阳能电池三种。（1）硅太阳能电池单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为

10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。（2）多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是

晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池

TiO2纳米晶太阳能电池是新近发展的，优点在于廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。（4）纳米晶太阳能电池二、太阳能电池材料基础及应用1．晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。对晶态硅太阳能电池的研究一般集中在薄膜多晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池还有高效率聚光硅太阳能电池上。多晶硅被定义为内部晶粒尺寸分布在1μm~1mm区间的硅单质。并且整个材料内部的结晶率接近100%，这意味着无序区域非常薄，并且几乎没有晶界。而薄膜则被认为是厚度小于30μm，特别是在3~10μm的材料。出于技术和经济的双重考虑最佳的晶体硅薄膜的厚度应该在10μm甚至更低一点，而这样的多晶硅薄膜多是在一定的基体上生长的。可以用作多晶硅薄膜基体的材料，是首要的特性就是要成本低廉，这也是符合薄膜电池制备目标的；其次，基体对高温的耐受程度，要至少高于整个电池生产流程中的最高温度；再次，基体与多晶硅的热膨胀系数要匹配。现在单模块多晶硅薄膜电池的最高效率已经达到了9%，然而若是要胜任大规模的使用，其最低也应达到单结合12%的模块效率。微晶硅太阳能电池是起源于20世纪70~90年代的氢化非晶硅电池及其锗合金或碳合金电池。后来在20世纪90年代，新型氢化微晶硅电池开始出现在研究领域。最佳的微晶硅电池的应用方法，是微晶堆叠法，实验室级的最高效率已达到了14.7%，日本生产的商业级模块电池已经有8%左右的稳定效率。聚光硅太阳能电池是通过将单位功率低下的太阳光进行汇聚，从而提高电池效率。众所周知，太阳能电池的成本基本都集中在电池本身的组装成本和半导体材料的制备成本，在制备大面积模块电池时，这些成本也会相应增加。相对来说，可以起到汇聚光线作用的透镜或者镜片就要便宜得多，并且利用透镜或者镜片，可以在大面积区域内只使用小面积的太阳能电池，就可达到同面积太阳能电池所吸收的光线的总和。2．非晶硅太阳能电池第一个关于非晶硅层的报道见于1965年，之后10年左右，苏格兰邓迪大学的研究人员发现了非晶硅同样具有半导体性能。事实上，适合使用在电气领域的非晶硅是经过掺杂的硅-氢合金即氢化非晶硅。第一个非晶硅太阳能电池是由Carlson和Wronski于1976年制备的，当时该电池的效率只有2.4%。而如今非晶硅电池的初始效率已达到了15%。1）提高氢化非晶硅太阳能电池的转换效率；2）降低Staebler-Wronski效应的影响；（由于光照作用，电池的光电转换效率会减少25%）3）将吸收层的沉积速率提高以降低氢化非晶硅沉积设备成本；4）大批量生产技术；5）降低原材料成本。为了进一步提高非晶硅模块电池的市场竞争力，亟待解决的技术问题有：在制备氢化非晶硅太阳能电池的过程中，最重要的是对非晶硅的氢化，通过氢化硅的内部会变成为连续无序网络结构。使用非晶硅可以制备可折叠弯曲的模块化电池，同时，非晶硅模块电池相比晶体硅，有着更低的转换效率-温度系数，这使得非晶硅太阳能电池可以使用在高温领域。3．碲化镉基太阳能薄膜电池最早的碲化镉基电池是1972年由Bonnet和Rabenhorst研制成功的CdS/CdTe电池，光电转换效率为6%。迄今为止最高光电转换效率CdTe电池由NREL于2002年制备，其效率为16.5%。CdTe是一种非常适合制备薄膜光伏电池的材料，其直接带隙处于最佳光伏转换效果区间内。另外，由于对光线的吸收能力要远强于非晶硅和晶体硅，所以只需要非常薄的厚度，就可以使用CdTe吸收掉所有的入射光线。同时，CdTe不但可以单独使用，也可以与Cu（In，Ga）Se2，非晶硅等其他材料同时使用在太阳能电池元器件中。不过，由于CdTe/CdS的化学稳定性好，又同时具有极低的溶解度和蒸气压，使得该材料存在了比较棘手的环保问题。目前，世界上最大的两家生产CdTe模块电池的厂商为美国的FirstSolar公司和德国的AntecSolarEnergy。经过了20多年实验室和工业发展，CdTe薄膜电池已经实现了初步的产业化。由于其特有的低成本优势，专家预测下一代CdTe电池将会有每年100万平方米的装机容量。4．黄铜矿基太阳能电池黄铜矿基太阳能电池主要是由CuInSe2、CuInS2、和CuGaS2等黄铜矿化合物制备而成的。使用该类材料制备的薄膜电池，目前在实验室级别已获得了20%的转换效率的成果，准模块、大模块电池的效率也分别达到了17%和12%。1）高的光电转换效率；2）好的稳定性；3）低成本；4）可以有效地利用原材料；5）短暂的能量回收时间；6）可为多种场合提供支援及解决方案；7）有庞大的并且开放的研发群体。黄铜矿基太阳能电池有如下优点：黄铜矿基太阳能电池的生产工艺步骤看似并不复杂，但是却比较难以应用于流水线生产。最早的一条商业化黄铜矿基太阳能电池生产线是西门子

公司于1998年建立的，只能生产5-10W输出功率的模块电池，生产能力非常有限。最大的生产线是分别由ShellSolar和WuerthSolar制备的，可以生产输出功率为40W的电池。1）轻型化及可折叠化；2）无镉工艺；3）无甸工艺；4）寻找取代钼的新型背接触层：5）双面电池和前接触电池；6）工艺过程无需真空；7）宽禁带和双节电池的研发。黄铜矿太阳能电池能否继续发展并成为市场主流，还是有着不少的问题需要在未来解决的：Chapter6其它新能源材料1．概述一、核能关键材料与应用19世纪末英国物理学家汤姆逊发现电子居里夫人发现新的放射性元素钋、镭；1905年爱因斯坦提出质能转换公式1946年德国奥托哈恩用中子轰击铀原子核发现核裂变1942年美国芝加哥大学成功启动世界第一座核反应堆1945年美国将将两颗原子弹投在日本的广和长崎，1957年苏联建成了世界第一座核电站。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。核能应用中需要的巨大能量来自于不间断的核裂变反应，也就是链式反应。实现链式反应是核能发电的前提。核能发电就是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似，只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。裂变反应堆可以根据裂变方式分为两类：一类是通过受控的核裂变来获取核能，核能是以热量的形势从核燃料中释放出来的；另一类是利用被动的衰变获取能量的放射性同位素温差发电机。由于现在人类能够控制的只有核裂变反应，所以当今世界上建造的所有核电站都是利用核裂变提供能量的。事实上只有几种原子核能够发生核裂变反应，在核应用中最重要的是铀和钚的同位素。第一类裂变反应是在核电站领域中着重使用的，这类反应又可以分为热中子反应堆和快速中子反应堆。尽管快速中子堆可以产生更少的核废料，提高核燃料的利用效率，并且生成的核废料中的放射性物质半衰期更短，但是限于技术和成本问题，目前绝大多数的商用反应堆还是使用热堆模式。2．核能发电材料热中子堆基本的组成部分包括：1）核燃料

一般认为钍、钋和铀三种元素可作为核燃料。钋同位素中半衰期最长也只有3.3万年，所以无法从自然界直接获得钋。而钍一般则是更多地作为制备铀233的原料。

故现在热堆中大多数核燃料都采用铀。2）减速剂

除了快速中子反应堆外的其他热中子堆都需要减速剂。从理论上说，理想的减速剂材料的原子序数应该不大于6。但是考虑到原子序数在6以内的某些材料仍具有其他的性能，所以事实上用作减速剂的只有轻水、重水、铍和石墨4种。3）冷却剂冷却剂既可以是液体也可以是气体。

在热中子堆中最常用的是轻水、重水、氦和二氧化碳；在快中子堆中，由于不需要使用减速剂，所以通常都使用高原子序数的元素作为冷却剂，使用最多的是液态钠。4）控制材料控制材料有着反应堆开关的作用一般使用具有高热中子吸收截面的硼或者镉来制备成棒状（控制棒）。在压水堆